§21. Растровая и векторная графика

Два принципа представления изображения

В компьютерной графике существуют два различных под­хода к представлению графической информации. Они назы­ваются соответственно растровым и векторным. С растро­вым подходом вы уже знакомы. Суть его в том, что всякое изображение рассматривается как совокупность точек разно­го цвета. Векторный подход рассматривает изображение как совокупность простых элементов: прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, закрасок и пр., которые называются графическими примитивами,

В растровой графике графическая информация — это со­вокупность данных о цветах пикселей на экране. В вектор­ной графике графическая информация — это данные, од­нозначно определяющие все графические примитивы, со­ставляющие рисунок.

Положение и форма графических примитивов задаются в системе графических координат, связанных с экраном. Обычно начало координат расположено в верхнем левом углу экрана. Сетка пикселей совпадает с координатной сет­кой, Горизонтальная ось X направлена слева направо; верти­кальная ось Y — сверху вниз.

Отрезок прямой линии однозначно определяется указани­ем координат его концов; окружность — координатами цент­ра и радиусом; многоугольник — координатами его вершин; закрашенная область — граничной линией и цветом закрас­ки и пр.

Для примера рассмотрим «маленький монитор» с растро­вой сеткой размером 10 х 10 и черно-белым изображением. На рис. 4.11 одна клетка соответствует пикселю. Приведено изображение буквы «К». Для кодирования изображения в растровой форме на таком экране требуется 100 битов (1 бит на пиксель).

 

На рис. 4.12 этот код представлен в виде битовой матрицы, в которой строки и столбцы соответствуют строкам и столбцам растровой сетки («1» обозначает закра­шенный пиксель, а «О» — незакрашенный).

0000000000

0001000100 

0001001000

0001010000 

0001100000

0001010000

0001001000

0001000100

0000000000

0000000000

Рис. 4.12, Растровый код черно-белого изображения буквы «К»

В векторном представлении буква «К» — это три линии. Всякая линия описывается указанием координат ее концов в таком виде:

ЛИНИЯ(Х1,У1,Х2,У2).

Изображение буквы «К» на рис, 4.10 описывается следую­щим образом:

ЛИНИЯ(4,2,4,8);

ЛИНИЯ(5,5,8,2);

ЛИНИЯ(5,5,8,8).

Для цветного изображения кроме координат указывается еще один параметр — цвет линии.

Для создания рисунков на компьютере используются гра­фические редакторы. Графические редакторы бывают раст­ровыми и векторными¹. Графическая информация о рисун­ках, созданных с помощью редактора, сохраняется в файлах на диске. Существуют разнообразные форматы графических файлов. Их также можно разделить на растровые и вектор­ные форматы. Растровые графические файлы хранят инфор­мацию о цвете каждого пикселя изображения на экране. В графических файлах векторного формата содержатся опи­сания графических примитивов, составляющих рисунок.

Растровая графика

Растровые графические редакторы называют программа­ми «картинного стиля», поскольку в них есть инструменты, которые используют художники при рисовании картин:«ки­сти», «краски», «ластики» и др. При создании растрового изображения пользователь словно водит кистью по «элект­ронному полотну» закрашивая каждый пиксель рисунка, или стирает закраску пикселей, используя «ластик».

При вводе изображений с помощью сканера (фотографий, рисунков, документов) также формируются графические файлы растрового формата.

Основное достоинство растровой графики состоит в том, что при высокой разрешающей способности монитора раст­ровое изображение может иметь фотографическое качест­во (рис. 4.13).

 

Основной недостаток растровой графики — большой раз­мер графических файлов. Простые растровые картинки зани­мают несколько десятков или сотен килобайтов. Реалистиче­ские изображения, полученные с помощью сканеров с вы­сокой разрешающей способностью, могут занимать несколь­ко мегабайтов. По этой причине информация в файлах рас­трового формата, как правило, хранится в сжатом виде. Для сжатия графической информации используются специаль­ные методы, позволяющие сократить ее объем в десятки раз.

Еще одним недостатком растровых изображений является их искажение, возникающее при изменении paзмеров, враще­нии и других преобразованиях. Картинка, которая прекрасно выглядела при одном размере, после масштабирования или вращения может потерять свою привлекательность. Напри­мер, в областях однотонной закраски могут появиться не­нужные узоры; кривые и прямые линии могут приобрести пилообразную форму и г. п.

Векторная графика

Векторные изображения получаются с помощью графиче­ских редакторов векторного типа (их еще называют пакетами иллюстративной графики). Эти пакеты предоставляют в распо­ряжение пользователя набор инструментов и команд, с помо­щью которых создаются рисунки. Прямые линии, окружно­сти, эллипсы и дуги являются основными компонентами век­торных изображений. Одновременно с процессом рисования специальное программное обеспечение формирует описания графических примитивов, из которых строится рисунок. Эти описания сохраняются в графическом файле.

Картинки на рис. 4.14 составлены из графических прими­тивов с помощью редактора векторного типа.

 

К достоинствам векторной графики можно отнести следу­ющие ее свойства.

Графические файлы векторного типа имеют относи­тельно небольшие размеры, Рисунки, состоящие из тысяч примитивов, занимают дисковую память, объем которой не превышает нескольких сотен килобайтов. Аналогичный рас­тровый рисунок требует в 10-1000 раз большую память.

Векторные изображения легко масштабируются без по­тери качества, Например, для увеличения или уменьшения эллипса достаточно изменить координаты левого верхнего и правого нижнего углов прямоугольника, ограничивающего этот эллипс.

Следует понимать, что различие в представлении графи­ческой информации в растровом и векторном форматах су­ществует лишь для файлов. При выводе на экран любого изображения в видеопамяти формируется информация, со­держащая данные о цвете каждого пикселя экрана.

Коротко о главком

Существуют два подхода к представлению изображения на компьютере: растровый и векторный.

Растровая графическая информация — это сведения о цвете каждого пикселя при выводе изображения на экран.

Векторная графическая информация — это описания гра­фических элементов (примитивов), из которых составлен ри­сунок: прямых линий, дуг, эллипсов, многоугольников, за­красок и пр.

Растровые графические редакторы формируют графиче­ские файлы с данными растрового типа. Векторные редакто­ры формируют графические файлы векторных форматов.

При сканировании изображений формируется графиче­ская информация растрового типа.

Растровый формат позволяет получать изображения фото­графического качества; растровые графические файлы име­ют большой размер и обычно подвергаются сжатию.

Файлы векторного формата относительно невелики. Век­торное изображение хорошо поддается растяжению и сжа­тию, не теряя при этом качества.

Вопросы 

1.В чем разница между растровым и векторным способами пред­ставления изображения?

2.Какая информация хранится в файлах растрового типа и в файлах векторного типа?

3.Что такое система графических координат?

4. Какой способ представления графической информации экономнее по использованию памяти?

7.Для чего производится сжатие файлов растрового типа?

8.Как реагируют растровые и векторные изображения на изменение «размеров»?

Примеры решения задач

Объем видеопамяти рассчитывается по формуле: V=I*X*Y, где I – глубина цвета отдельной точки, X, Y –размеры экрана по горизонтали и по вертикали (произведение х на у – разрешающая способность экрана).

- глубина цвета (количество бит, используемых для кодирования цвета точки), например, 8, 16, 24, 32 бита. Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, Тогда количество цветов, отображаемых на экране монитора может быть вычислено по формуле K=2^I , где K – количество цветов, I – глубина цвета или битовая глубина.

- палитра (количество цветов, которые используются для воспроизведения изображения), например 4 цвета, 16 цветов, 256 цветов, 256 оттенков серого цвета, 2¹⁶ цветов в режиме называемом High color или 2²⁴  , 2³² цветов в режиме True color.

Задача 1. Определить требуемый объем видеопамяти для графического режима экрана 640х480, если глубина цвета на одну точку равна 4 бит

Решение:

Всего точек на экране (разрешающая способность): 640 * 480 = 307200 2. Необходимый объем видеопамяти V= 4 бит * 307200 = 1228800 бит = 153600 байт = 150 Кбайт.

Задача 2. Черно-белое (без градаций серого) растровое графическое изображение имеет размер 10 ´10 точек. Какой объем памяти займет это изображение?

Решение:

1. Количество точек -100

2. Так как всего 2 цвета черный и белый. то глубина цвета равна 1 ( 2¹ =2)

3. Объем видеопамяти равен 100*1=100 бит

Задача 3. Для хранения растрового изображения размером 128 x 128 пикселей отвели 4 КБ памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения?

Решение:

1. Определим количество точек изображения. 128*128=16384 точек или пикселей.

2. Объем памяти на изображение 4 Кб выразим в битах, так как V=I*X*Y вычисляется в битах. 4 Кб=4*1024=4 096 байт = 4096*8 бит =32768 бит

3. Найдем глубину цвета I =V/(X*Y)=32768:16384=2

4. N=2^I , где N – число цветов в палитре. N=4

Ответ: 4

Задача 4. Какой объем видеопамяти необходим для хранения четырех страниц изображения, если битовая глубина равна 24, а разрешающая способность дисплея- 800 х 600 пикселей? ([6], №63)

Решение:

1. Найдем объем видеопамяти для одной страницы: 800*600*24=11520000 бит =1440000 байт =1406,25 Кб ≈1, 37 Мб

2. 1,37*4 =5,48 Мб ≈5.5 Мб для хранения 4 страниц.

Ответ: 5.5 Мб

Задача 5. В процессе преобразования растрового графического изображения количество цветов уменьшилось с 65536 до 16. Во сколько раз уменьшится объем занимаемой им памяти?

Решение:

Чтобы закодировать 65536 различных цветов для каждой точки, необходимо 16 бит. Чтобы закодировать 16 цветов, необходимо всего 4 бита. Следовательно, объем занимаемой памяти уменьшился в 16:4=4 раза.

Ответ: в 4 раза

Задача 6. Достаточно ли видеопамяти объемом 256 Кбайт для работы монитора в режиме 640 ´ 480 и палитрой из 16 цветов?

Решение:

1. Узнаем объем видеопамяти, которая потребуется для работы монитора в режиме 640х480 и палитрой в 16 цветов. V=I*X*Y=640*480*4 (2⁴ =16, глубина цвета равна 4),

V= 1228800 бит = 153600 байт =150 Кб.

2. 150 < 256, значит памяти достаточно.

Ответ: достаточно